基于USB傳輸之嵌入式生理量測系統(tǒng)之研制

資訊產(chǎn)業(yè)發(fā)展快速，電腦產(chǎn)業(yè)的興起，資訊和資料之傳輸方式越來越講求方便、迅速，從最早接觸的UART(RS-232)埠、網(wǎng)際網(wǎng)路 (Ethernet)等連線傳輸發(fā)展至現(xiàn)在的USB 傳輸(低速、全速、高速)、無線技術(shù)(BlueTooth、ZigBee)等無線傳輸。而應(yīng)用的范圍也概括了個人、家庭、日常生活等。

心電圖常被廣泛運(yùn)用在臨床實(shí)驗上，用于量測心臟和肺部疾病的重要診斷工具。目前心電圖量測之資料傳輸介面較常應(yīng)用RS-232 介面來傳輸，其優(yōu)點(diǎn)為：(1)傳輸協(xié)定和傳送封包格式較容易理解。而其缺點(diǎn)為：(1)傳送資料之距離受到限制(2)傳送速度較慢。然而本論文所強(qiáng)調(diào)之重點(diǎn)在于應(yīng)用USB介面?zhèn)鬏攣韨魉托碾娪嵦枺淠康氖菫榱诉\(yùn)用USB 隨插即用特性，將使用者所量測到之心電訊號儲存至硬體電路的儲存裝置上，而心電訊號之呈現(xiàn)可透過與嵌入式開發(fā)平臺之連接，配合裝置驅(qū)動程式之掛載，將使用者之心電訊號在平臺的觸碰式螢?zāi)?Touch Panel)上顯示。使用者也可將心電圖波形攜帶至醫(yī)院，讓專業(yè)醫(yī)師來診斷其是否有異常現(xiàn)象。

研究方法

本論文之系統(tǒng)架構(gòu)由心電訊號感測元件(電極貼片)、心電訊號擷取之硬體電路(前端處理、儲存裝置)、USB 介面?zhèn)鬏攨f(xié)定、系統(tǒng)平臺(裝置驅(qū)動程式掛載)、系統(tǒng)架構(gòu)整合等四大部分整合組成。人體藉由電極貼片擷取微弱訊號至硬體電路之儀表放大器(AD620)做第一級放大，透過可程式系統(tǒng)晶片PSoC 其內(nèi)部的濾波、第二級放大、A/D 轉(zhuǎn)換等將訊號轉(zhuǎn)換成USB 封包格式傳送，經(jīng)由USB 介面?zhèn)魉托碾娪嵦栔量蓴y式行動平臺做訊號之分析與顯示。其系統(tǒng)架構(gòu)圖，如圖1 所示。

圖 1 系統(tǒng)架構(gòu)方塊圖

一、心電訊號感測元件

本系統(tǒng)架構(gòu)主要量測之生理訊號為心電圖(Electrocardiogram，ECG)訊號，透過心電訊號感測元件可量測使用者(User)心臟電位活動之變化并紀(jì)錄，其變化經(jīng)由感測元件轉(zhuǎn)換成研究者可觀測之訊號波形，而後更可依據(jù)波形產(chǎn)生之差異，進(jìn)而得知受測者心臟方面的訊息(例如：心臟疾病)，此接收到的訊號屬於類比訊號。市面上有販?zhǔn)墼S多不同廠牌的心電圖電極貼片(ECG Electrode) ， 我們使用的電極貼片是KENDALL 公司所生產(chǎn)的電極貼片， 其型號為：31078135。

心電圖主要是紀(jì)錄心臟向量投影至各導(dǎo)程之投影量變化。本論文中，我們應(yīng)用3導(dǎo)程(3-Lead)方式來量測和紀(jì)錄我們所需要的心電圖波形，如圖2 所示為使用3 導(dǎo)程電極貼片之放置示意圖。

圖 2 使用3 導(dǎo)程電極貼片之放置示意圖

由于送至硬體電路所需之心電訊號為差動訊號(Differential Signal)，因此我們計算心電訊號的方式為：Lead III – Lead II，其求得的值為我們所需要之差動生理訊號。3 導(dǎo)程量測在靈敏度(接收訊號之難易度)方面較優(yōu)於其它導(dǎo)程量測。本文所強(qiáng)調(diào)之重點(diǎn)在于硬體電路和系統(tǒng)平臺，因此在量測方面較著重於量測之容易和便利性。

二、訊號擷取之硬體電路

可攜性、體積小是近年來市面上熱烈討論之話題。USB 裝置隨插即用之便利性也不外乎是消費(fèi)者所熱愛追求的?；兑陨系挠^點(diǎn)，我們所設(shè)計之硬體電路朝著體積小攜帶方便，以USB 裝置為傳輸介面等方向來達(dá)成可攜式USB 傳輸訊號之目標(biāo)。如圖3-1,3-2所示為硬體電路正反面之實(shí)體圖。

圖 3-1 硬體電路正面實(shí)體圖

圖 3-2 硬體電路反面實(shí)體圖

硬體架構(gòu)方面主要可分成四大部分來分析說明，第一部份為：儀表放大器，主要目的是用來做訊號處理的第一級放大，第二部份為：可程式系統(tǒng)晶片PSoC，主要使用之目的是用來做生理訊號處理之訊號濾波、第二級放大、A/D 轉(zhuǎn)換等，第三部份為：USB介面?zhèn)鬏攨f(xié)定分析。

第一部份應(yīng)用儀表放大器之目的與說明

由於前端感測元件(電極貼片)所產(chǎn)生之差動訊號為微弱訊號，其訊號較不易讓研究者做進(jìn)一步分析觀察，因此使用AD620 儀表放大器先針對微弱訊號做約500 倍的增益放大，其輸出訊號進(jìn)而再送至可程式系統(tǒng)晶片PSoC 做訊號處理，如圖4 所示為使用者與儀表放大器連接之示意圖。

圖 4 使用者與儀表放大器連接之示意圖

連接說明：使用者左邊胸部靠近心臟部位之電極貼片需連接至儀表放大器Pin 3 (+ IN)當(dāng)作生理訊號源正端輸入。使用者右邊胸部與左邊貼片對稱之部位需連接至儀表放大器Pin 2 (-IN)當(dāng)作生理訊號源負(fù)端輸入。使用者左腳接地部位需連接至Pin 5(VREF)當(dāng)作參考接地。RG 阻值大小可隨意改變，變更其放大增益。Pin 7、4 需正確接上電源，才得以驅(qū)動儀表放大IC 晶片，最後輸出訊號透過Pin 6 輸出至下一級做訊號處理。

第二部份可程式系統(tǒng)晶片PSoC

經(jīng)由儀表放大器放大波形至一定增益大小，其波形需再透過濾波器濾除雜訊、第二級放大、A/D 轉(zhuǎn)換、資料型態(tài)轉(zhuǎn)換等步驟後，才能將訊號資料送至系統(tǒng)平臺做訊號處理或儲存的動作。

可程式系統(tǒng)晶片(PSoC)所概括的訊號處理有：(1)類比訊號處理(2)數(shù)位訊號處理。在設(shè)計環(huán)境中，可以任意配置使用者所需之類比、數(shù)位區(qū)塊模組。如圖5-1,5-2 所示為類比、數(shù)位區(qū)塊模組配置示意圖。

圖 5-1 類比區(qū)塊配置示意圖